Este protocolo proporciona un protocolo de plantilla completo y sencillo para evaluar la función mitocondrial en fibras de músculo esquelético permeabilizadas para muestras humanas y de ratón. El uso de fibras permeabilizadas en lugar de mitocondrias aisladas tiene varias ventajas. Una ventaja clave es que el uso de fibras permeabilizadas requiere pequeñas cantidades (2-5 mg) de tejido, lo que hace que este método sea adecuado tanto para muestras de biopsia de músculo humano como para músculo de ratón. Otra ventaja sobre las mitocondrias aisladas es que la arquitectura celular permanece intacta, asegurando la preservación de las interacciones estructurales y funcionales entre las mitocondrias y los componentes celulares 12,21,22,23.
El uso de piruvato, malato y glutamato en nuestro protocolo glucolítico aeróbico proporciona una evaluación integral y de amplio espectro del suministro de NADH al Complejo I 24,25,26,27,28. Si bien este enfoque integral proporciona una evaluación de la actividad del Complejo I en condiciones metabólicas holísticas y fisiológicamente relevantes, el uso de piruvato-malato o glutamato-malato puede ser un enfoque experimental más apropiado. Por ejemplo, el uso de glutamato-malato puede desentrañar diferencias en la función mitocondrial relacionadas con el catabolismo de aminoácidos29. Alentamos a los investigadores a considerar cuidadosamente el enfoque apropiado a utilizar para su modelo de investigación específico.
Si bien este protocolo se centra en el uso de sustratos para evaluar la actividad mitocondrial, el uso de inhibidores específicos puede ser necesario para lograr los objetivos experimentales. Por ejemplo, la rotenona se puede utilizar para inhibir el complejoI 12,21,30, la oligomicina para inhibir el complejo V (ATP sintasa)12,21 y la antimicina A para bloquear el complejo III12,21 para la evaluación de la respiración no mitocondrial. El protocolo proporcionado anteriormente se puede adaptar fácilmente para incluir el uso de inhibidores específicos. Cabe destacar que una advertencia con respecto al uso de inhibidores es que estos compuestos son pegajosos y requieren una limpieza exhaustiva para eliminarlos de la cámara del instrumento. Encontramos que el uso de una solución de BSA al 10% durante 60 min es suficiente para la eliminación de los inhibidores residuales.
La respiración LEAK se refiere a la tasa de consumo de oxígeno que es independiente de la síntesis de ATP. Esta tasa representa el flujo de protones de regreso a la matriz mitocondrial desde a través de la membrana mitocondrial interna. Existen tres métodos aceptados para evaluar el consumo de oxígeno independientemente de la síntesis de ATP (LEAK). El primero, LEAK(n), mide la tasa de consumo de oxígeno en presencia de sustratos pero sin la adición de adenilatos (ADP o ATP)31,32,33. Este estado de fuga representa la permeabilidad intrínseca de la membrana mitocondrial. El segundo método, LEAK(t), se mide en presencia de ATP34 y el tercero, LEAK(o), se mide en presencia del inhibidor de la ATP-sintasa oligomicina 35,36,37. Este protocolo utiliza LEAK(n) para esta evaluación, pero dependiendo de los objetivos y modelos experimentales, pueden ser apropiados otros métodos para medir el flujo de oxígeno de LEAK.
Para este ensayo, MiR05 se complementa con creatina (3 mg/mL) y blebbistatina (10 μM). El transporte mitocondrial de ADP es facilitado por la creatina quinasa (CK), y la creatina se añade a la solución respiratoria para saturar la actividad de CK38,39. Las fibras musculares pueden contraerse espontáneamente y también son sensibles a la contracción inducida por ADP. Para evaluar la actividad respiratoria mitocondrial sin la influencia de la contracción, se ha añadido blebbistatina para inhibir la actividad contráctil de la fibra38. Además, los estudios en músculo humano sugieren que la capacidad respiratoria puede verse influenciada por el método de biopsia (microbiopsia versus aguja de Bergstrom) y que esta diferencia puede deberse a las diferencias en la longitud de la fibra obtenida40,41. Las fibras más cortas pueden ser más susceptibles al daño durante la preparación, y el uso de blebbistatina ayuda a preservar la función. Puede haber ciertas condiciones en las que la relajación de la fibra no se ajuste a los objetivos de la investigación y, en ese caso, la blebbistatina puede excluirse de la solución de MiR05.
La permeabilización de las fibras del músculo esquelético con saponina genera poros en la membrana plasmática, lo que permite que los sustratos e inhibidores ingresen libremente a la célula. La saponina tiene una alta afinidad por el colesterol, que es rico y abundante en las membranas plasmáticas celulares, mientras que las membranas mitocondriales son pobres en colesterol42,43. Se espera que el tratamiento con saponinas utilizado para la preparación de fibras en este protocolo preserve la integridad de la membrana mitocondrial. El daño a las mitocondrias también puede ocurrir debido a las fuerzas de cizallamiento que resultan de la separación mecánica del tejido en fibras. Sugerimos que la separación del tejido en haces de fibras se lleve a cabo rápidamente y con una manipulación mínima. Para evaluar el daño mitocondrial potencial, hemos incluido la titulación del citocromo C en el protocolo de respiración. El citocromo C no puede pasar a través de una membrana mitocondrial externaintacta 12, por lo tanto, cualquier aumento en el flujo de O2 después de la adición de citocromo C indica que se produjo daño a la membrana mitocondrial externa durante el proceso de preparación de la muestra. En uno de nuestros estudios recientes, encontramos que el flujo de O2 aumentó en un 8%15 después de la adición del citocromo C, lo que valida que el uso de saponina sugerido en este protocolo no provoca daño mitocondrial. Sugerimos que cualquier muestra que demuestre un aumento superior al 15% en el flujo deO2 después de la adición del citocromo C debe excluirse del análisis44. Este paso se incluye estrictamente como una medida de control de calidad y no como una evaluación de la actividad del Complejo IV.
Si bien la respirometría de alta resolución se destaca por proporcionar mediciones altamente sensibles y confiables del consumo de oxígeno, una limitación notable de la instrumentación es que solo se pueden medir dos muestras simultáneamente por instrumento. Esto requiere una consideración cuidadosa al diseñar estudios que involucren cohortes con múltiples muestras. Si bien puede existir la tentación de realizar mediciones en varios conjuntos de muestras a lo largo del día, recomendamos encarecidamente a los investigadores que consideren la influencia del ritmo circadiano en el metabolismo. La investigación sobre el músculo esquelético humano y de roedores ha revelado una influencia del reloj biológico en la función mitocondrial45,46. En consecuencia, recomendamos realizar mediciones durante varios días a la misma hora del día para tener en cuenta estas fluctuaciones circadianas.
Por último, para garantizar mediciones de respirometría reproducibles y robustas, el respirómetro debe recibir limpieza, mantenimiento y calibración regulares. La calibración del aire, como se detalla en el protocolo, debe realizarse diariamente. Aconsejamos a los usuarios que también realicen una calibración mensual completa (tanto de aire como de cero) de los sensores polarográficos de oxígeno. Los usuarios deben consultar la documentación y el sitio web del fabricante para obtener más información sobre este método de calibración y para obtener instrucciones sobre el mantenimiento rutinario del instrumento.
La respirometría de alta resolución sigue siendo el estándar de oro para medir la respiración mitocondrial. El método detallado en este protocolo facilita una evaluación robusta de la capacidad mitocondrial tanto en el músculo esquelético de roedores como en el humano. Este protocolo se ha aplicado a estudios que evalúan la función mitocondrial asociada a modelos genéticos de ratón15,16, en el contexto de la enfermedad renal crónica19, después de la administración de suplementos dietéticos14,20 y el ejercicio17,18.